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= C++11 constexpr =
'''constexpr'''是C++11引入的关键字，用于声明'''编译时常量表达式'''（compile-time constant expression）。它允许在编译期计算表达式的值，从而优化性能并增强类型安全性。

== 核心概念 ==
=== 基本定义 ===
constexpr可修饰：
* 变量：声明该变量必须是编译期常量
* 函数：声明该函数在给定编译期常量参数时可产生编译期常量结果

=== 与const的区别 ===
{| class="wikitable"
|+ const vs constexpr
! 特性 !! const !! constexpr
|-
| 初始化时机 || 运行期或编译期 || '''必须'''在编译期确定
|-
| 修饰函数 || 不能保证编译期求值 || 可编译期求值
|-
| 数组大小 || C++98中不可用 || 可用作数组维度
|}

== 语法规范 ==
=== 变量声明 ===
<syntaxhighlight lang="cpp">
constexpr int max_size = 100;  // 正确：字面量初始化
constexpr double pi = 3.14159; // 正确：浮点字面量
</syntaxhighlight>

=== 函数声明 ===
<syntaxhighlight lang="cpp">
constexpr int factorial(int n) {
    return n <= 1 ? 1 : n * factorial(n - 1);
}
</syntaxhighlight>

== 代码示例 ==
=== 基础示例 ===
计算编译期阶乘：
<syntaxhighlight lang="cpp">
#include <iostream>

constexpr int compute_factorial(int n) {
    return (n <= 1) ? 1 : (n * compute_factorial(n - 1));
}

int main() {
    constexpr int val = compute_factorial(5);  // 编译期计算
    int dynamic_val = compute_factorial(5);    // 运行期计算
    std::cout << "Compile-time: " << val 
              << "\nRuntime: " << dynamic_val;
}
</syntaxhighlight>
{{Output|
Compile-time: 120
Runtime: 120
}}

=== 进阶应用 ===
编译期字符串哈希：
<syntaxhighlight lang="cpp">
constexpr unsigned int hash_str(const char* s, int off = 0) {
    return !s[off] ? 5381 : (hash_str(s, off+1) * 33) ^ s[off];
}

int main() {
    constexpr auto hash = hash_str("hello");
    static_assert(hash == 2107146360, "Hash mismatch");
}
</syntaxhighlight>

== 限制条件 ==
constexpr函数在C++11中需满足：
* 函数体必须只有单个return语句（递归除外）
* 不能包含：
  * 循环语句
  * goto语句
  * 非字面类型的变量
  * 未初始化的变量

== 实际应用案例 ==
=== 案例1：固定尺寸数组 ===
<syntaxhighlight lang="cpp">
constexpr int get_array_size() { return 32; }

int main() {
    int arr[get_array_size()];  // 合法数组声明
}
</syntaxhighlight>

=== 案例2：模板元编程 ===
结合模板实现编译期计算：
<syntaxhighlight lang="cpp">
template<int N>
struct Factorial {
    static constexpr int value = N * Factorial<N-1>::value;
};

template<>
struct Factorial<0> {
    static constexpr int value = 1;
};

int main() {
    static_assert(Factorial<5>::value == 120, "");
}
</syntaxhighlight>

== 版本演进 ==
{| class="wikitable"
|+ constexpr标准演进
! 标准 !! 改进
|-
| C++11 || 基础功能
|-
| C++14 || 放宽函数限制（允许多语句、局部变量等）
|-
| C++17 || 支持if constexpr
|-
| C++20 || 支持虚函数、try-catch等
|}

== 性能分析 ==
<mermaid>
pie
    title constexpr优化效果
    "编译期计算" : 75
    "运行期计算" : 25
</mermaid>

数学公式示例（欧拉公式验证）：
<math>e^{i\pi} + 1 = 0</math>在编译期验证：
<syntaxhighlight lang="cpp">
#include <complex>
#include <iostream>

constexpr bool verify_euler() {
    using namespace std::complex_literals;
    constexpr std::complex<double> res = std::exp(1.0i * 3.1415926535);
    return (std::abs(res.real() + 1) < 1e-9) && 
           (std::abs(res.imag()) < 1e-9);
}

static_assert(verify_euler(), "Euler's formula failed");
</syntaxhighlight>

== 最佳实践 ==
* 优先用constexpr替代宏常量
* 对数学计算、查找表等使用constexpr
* 注意C++11的限制条件
* 利用static_assert进行编译期验证

{{Warning|过度使用constexpr可能导致编译时间显著增加}}

== 参见 ==
* [[C++14 constexpr]]
* [[模板元编程]]
* [[编译时计算]]

[[Category:编程语言]]
[[Category:C++]]
[[Category:C++11 新特性]]